Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это фундаментальная тепловая машина, преобразующая химическую энергию сжигаемого топлива в механическую работу. С момента своего появления в начале 20-го века он стал сердцем мирового торгового флота, обеспечивая движение подавляющего большинства судов. Однако для успешного курсового или дипломного проектирования недостаточно разрозненных сведений об этом агрегате. Требуется системное понимание принципов его работы, существующих классификаций и ключевых основ инженерного расчета. Эта статья призвана выстроить такой академический фундамент, предложив четкую и логичную структуру для научной работы.
Фундаментальный принцип преобразования энергии в ДВС
В основе работы любого поршневого двигателя внутреннего сгорания лежит последовательное и циклическое преобразование энергии. Процесс начинается со сгорания топливовоздушной смеси непосредственно в рабочей камере — цилиндре. В этот момент химическая энергия топлива высвобождается, мгновенно преобразуясь в тепловую энергию, что приводит к резкому повышению температуры и давления газов.
Эти раскаленные газы, расширяясь, с огромной силой давят на подвижный элемент — поршень — и заставляют его совершать возвратно-поступательное движение внутри цилиндра. Далее в дело вступает кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Шатун, соединенный одним концом с поршнем, а другим — с коленчатым валом, преобразует это линейное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Именно это вращение и является той полезной механической работой, которая через валопровод передается на гребной винт.
Ключевой особенностью этого процесса является его цикличность. Все такты повторяются снова и снова в строгой последовательности, обеспечивая непрерывную и стабильную работу двигателя.
Как устроен четырехтактный рабочий цикл
Рабочий цикл определяет последовательность процессов в цилиндре двигателя. Четырехтактный цикл, как следует из названия, состоит из четырех отдельных тактов (ходов поршня), которые совершаются за два полных оборота коленчатого вала. Это наиболее распространенная схема, применяемая в средне- и высокооборотных судовых ДВС.
1. Впуск
Поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). В это время впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. За счет создаваемого разрежения цилиндр заполняется свежим зарядом воздуха (в дизелях) или топливовоздушной смесью.
2. Сжатие
Поршень движется в обратном направлении — от НМТ к ВМТ. Оба клапана (впускной и выпускной) плотно закрыты. Воздух в цилиндре сжимается, в результате чего его давление и, что особенно важно для дизеля, температура резко возрастают.
3. Рабочий ход (сгорание и расширение)
В момент, когда поршень находится вблизи ВМТ, в камеру сгорания через форсунку впрыскивается топливо. Соприкасаясь с раскаленным сжатым воздухом, оно самовоспламеняется. Происходит быстрое сгорание, давление газов многократно увеличивается, и они с силой толкают поршень вниз, к НМТ. Это единственный такт, в ходе которого совершается полезная работа.
4. Выпуск
Поршень вновь движется от НМТ к ВМТ. Выпускной клапан открывается, и поршень выталкивает отработавшие газы из цилиндра в выпускной коллектор. По завершении такта выпускной клапан закрывается, и цикл готов к повторению.
В чем специфика и преимущества двухтактного цикла
В отличие от четырехтактной схемы, в двухтактном двигателе полный рабочий цикл совершается всего за один оборот коленчатого вала. Это достигается за счет совмещения некоторых процессов, что коренным образом меняет конструкцию и принцип работы.
Здесь нет традиционных клапанов, а газообмен происходит через специальные окна в стенках цилиндра. Процессы впуска и выпуска совмещены и происходят, когда поршень находится в районе нижней мертвой точки. Этот короткий период называется продувкой: свежий заряд воздуха под давлением поступает в цилиндр, одновременно вытесняя из него отработавшие газы. Сразу после продувки поршень начинает движение вверх, совершая такт сжатия. Вблизи ВМТ, как и в четырехтактном дизеле, происходит впрыск топлива, его сгорание и рабочий ход, который толкает поршень вниз. Таким образом, сжатие и рабочий ход составляют большую часть цикла.
Главное преимущество такой схемы — более высокая удельная мощность. Теоретически, при одинаковых размерах и частоте вращения, двухтактный двигатель в два раза мощнее четырехтактного, так как рабочий ход происходит в каждом цикле, а не через один. Именно поэтому малооборотные двухтактные дизели являются основой энергетических установок крупных коммерческих судов — танкеров, контейнеровозов и балкеров, где требуется колоссальная мощность.
Классификация судовых ДВС как основа для анализа
Многообразие судовых двигателей требует их четкой систематизации. Для анализа и выбора двигателя в рамках курсового проекта необходимо опираться на общепринятую классификацию по нескольким ключевым признакам:
- По рабочему циклу. Как было рассмотрено выше, двигатели делятся на двухтактные (один рабочий ход за оборот вала) и четырехтактные (один рабочий ход за два оборота вала).
- По частоте вращения. Этот параметр напрямую связан с размерами и сферой применения:
- Малооборотные (до 300 об/мин) — это двухтактные гиганты, работающие напрямую на гребной винт.
- Среднеоборотные (300-1000 об/мин) — как правило, четырехтактные двигатели, используемые на судах среднего тоннажа и в качестве вспомогательных ДВС.
- Высокооборотные (свыше 1000 об/мин) — компактные четырехтактные двигатели для скоростных судов, катеров и дизель-генераторов.
- По способу реверсирования. Двигатели бывают реверсивными, способными изменять направление вращения коленчатого вала для обеспечения заднего хода судна, и нереверсивными, где задний ход обеспечивается специальными механизмами (например, реверс-редуктором).
- По типу используемого топлива. Подавляющее большинство судовых ДВС — это дизельные двигатели. Однако все большее распространение получают двухтопливные, способные работать как на дизельном топливе, так и на сжиженном природном газе (СПГ). На малых судах и катерах могут применяться бензиновые двигатели.
Тронковые и крейцкопфные двигатели как два разных подхода к конструкции
Один из важнейших конструктивных признаков, разделяющий судовые ДВС на два больших класса, — это способ передачи усилия от поршня к шатуну. По этому принципу выделяют тронковые и крейцкопфные двигатели.
Тронковый двигатель имеет более простую и компактную конструкцию. В нем поршень (называемый тронком) напрямую соединен с шатуном через поршневой палец. Такая схема характерна для большинства средне- и высокооборотных четырехтактных двигателей. Ее преимущество — меньшие габариты и масса. Однако при такой конструкции на стенки цилиндра действует значительная боковая сила от шатуна, что увеличивает износ.
В крейцкопфной конструкции между поршнем и шатуном есть дополнительное звено — шток, который соединен с ползуном, движущимся в направляющих. Этот ползун, называемый крейцкопфом, и воспринимает все боковые усилия. Поршень же нагружен только силой давления газов. Такая схема полностью разделяет рабочую полость цилиндра и картерное пространство, предотвращая попадание продуктов сгорания в картерное масло. Несмотря на большую сложность и высоту, именно эта надежная и долговечная конструкция применяется во всех малооборотных двухтактных двигателях большой мощности.
Ключевые аспекты расчета рабочих процессов
Расчет рабочих процессов является центральной частью курсового проектирования. Его главная цель — определить основные энергетические, экономические и эксплуатационные показатели проектируемого двигателя. Этот расчет не сводится к простому подбору формул, а представляет собой комплексный анализ.
Одним из инструментов анализа является построение и изучение индикаторных диаграмм — графиков зависимости давления в цилиндре от его объема. Эта диаграмма позволяет визуально оценить качество протекания процессов сжатия, сгорания и расширения. Не менее важным является расчет процессов газообмена, так как от эффективности очистки цилиндра от отработавших газов и его наполнения свежим зарядом напрямую зависит мощность. Особое внимание уделяется системам наддува, которые принудительно подают воздух в цилиндры под давлением, значительно повышая мощностные показатели.
Крайне важно подчеркнуть, что инженерные расчеты должны опираться не только на идеальные или стендовые данные, но и максимально учитывать реальные условия эксплуатации судна. Итоговым показателем эффективности двигателя выступает его эффективный коэффициент полезного действия (КПД), который у современных судовых дизелей достигает внушительных значений: до 37% у быстроходных и свыше 42% у малооборотных.
Заключение. Формирование структуры курсовой работы
В этой статье мы последовательно прошли путь от фундаментального принципа работы ДВС к его практической реализации в двух- и четырехтактных циклах, рассмотрели ключевые системы классификации, разобрали конструктивные различия и наметили основные направления инженерных расчетов. Этот логический путь от общего к частному представляет собой готовую методологическую базу.
Представленная в статье структура может служить готовым планом для вашей курсовой работы. Каждый раздел статьи соответствует потенциальной главе вашего научного проекта:
Введение в предмет исследования
Глава 1. Принципы работы и рабочие циклы судовых ДВС
Глава 2. Классификация и конструктивные особенности судовых ДВС
Глава 3. Основы расчета рабочих процессов двигателя
Заключение
Используя этот скелет, вы сможете углубить каждый раздел с помощью учебников и научной литературы, наполнив его конкретными данными, схемами и расчетами для вашего индивидуального задания. Помните, что именно системный и структурированный подход является ключом к подготовке качественной и успешной научной работы.
Список источников информации
- Пунда А.С., Веселков Н.А., Пальтов С.А. Расчет рабочих процессов судовых дизелей: учеб. Пособие. – Спб.: Изд-во ГМА им. адм. С. О. Макарова, 2011. – 68с.
- Возницкий И.В., Пунда А.С. Судовые двигатели внутреннего сгорания. – Т.1. / 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Моркнига, 2010
- Возницкий И.В., Пунда А.С. Судовые двигатели внутреннего сгорания. – Т.2. / 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Моркнига, 2010
- Волочков В.А. Расчет рабочих процессов судовых дизелей: учеб. Пособие. –М.: В/О «Мортехинформреклама», 1987